一種微銑削鎳基高溫合金加工硬化的預(yù)測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于微切削加工領(lǐng)域，涉及一種微銑削加工鎳基高溫合金，通過仿真建模 和理論推導(dǎo)加工硬化的預(yù)測方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著科學(xué)技術(shù)的進步，航空航天、能源動力、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域都出現(xiàn)了微小結(jié)構(gòu)/ 零件，此類微小結(jié)構(gòu)/零件精度要求高，具有三維幾何結(jié)構(gòu)形狀如臺階面、深孔、薄壁等，有 較大的深寬比和長徑比，其中部分零件不僅要求能承受較高的工作溫度，而且需要具備較 高的強度和耐腐蝕性能。鎳基高溫合金Inconel718具有高強度、抗疲勞、耐腐蝕、耐高 溫、抗氧化性等優(yōu)良性能，是制造航空發(fā)動機、渦輪葉片、發(fā)動機熱端部件的理想材料。鎳 基高溫合金微銑削技術(shù)是制備鎳基高溫合金微小零件的高效技術(shù)手段。但由于鎳基高溫 合金具有強度高、粘性大、熱傳導(dǎo)性能低等特點，在微銑削過程會產(chǎn)生大變形，從而產(chǎn)生晶 格扭曲變形，導(dǎo)致加工硬化現(xiàn)象。對于微結(jié)構(gòu)件適度的加工硬化可以提高工件的強度、硬 度和耐磨性，而過度的加工硬化給工件進一步加工造成困難，特別是在微銑等精密加工中， 刀具微小易于磨損，加工硬化導(dǎo)致刀具快速磨損，嚴(yán)重影響刀具壽命、加工質(zhì)量，過度的加 工硬化還會導(dǎo)致工件產(chǎn)生裂紋、尺寸發(fā)生變化等，所以對于加工硬化的研究非常重要。在 切削領(lǐng)域中，對于加工硬化研究已經(jīng)具有一定的規(guī)模，但是大多數(shù)研究是基于試驗的預(yù)測 模型，一般會考慮多種因素對加工硬化的影響趨勢以及硬化層的深度，卻很少有人將材料 加工后的硬度進行數(shù)值化預(yù)測。而且試驗方法費時費力，通用性差。由于軟件工程的發(fā) 展，現(xiàn)代分析軟件已經(jīng)形成規(guī)模，已經(jīng)有很多人使用有限元軟件的方法對切削過程進行仿 真，其中有人模擬了切削過程中應(yīng)力、應(yīng)變、溫度、刀具磨損的變化情況，但使用仿真方法對 切削加工后硬度進行數(shù)值化預(yù)測的研究卻是很少。例如N.BenMoussa等人2012年在期 刊〈〈InternationalJournalofMechanicalSciences〉〉中發(fā)表的論文〈〈Numericaland experimentalanalysisofresidualstressandplasticstraindistributionsin machinedstainlesssteel》，通過二維有限元仿真方法預(yù)測塑性應(yīng)變并用試驗測量塑性 應(yīng)變驗證模型合理性，然后通過試驗擬合硬度與塑性應(yīng)變之間關(guān)系，而在實際加工后，對于 材料塑性應(yīng)變測量沒有對于硬度測量簡單，使用塑性應(yīng)變驗證模型合理性沒有使用硬度驗 證簡單，準(zhǔn)確性較差，且沒有建立塑性應(yīng)變與硬度之間的數(shù)值關(guān)系。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明為了克服現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，考慮微銑削加工尺度效應(yīng)，進行微銑削加工的 有限元三維仿真，使用有限元技術(shù)及硬化、應(yīng)變和硬度之間的理論關(guān)系，建立微銑削鎳基高 溫合金預(yù)測加工硬化的模型。預(yù)測方法首先運用有限元仿真技術(shù)，對工件和刀具進行三維 宏觀建模，考慮材料的彈塑性本構(gòu)關(guān)系，建立鎳基高溫合金模型、刀具工件摩擦模型、金屬 切肩分離模型，從而得到不同切削參數(shù)下鎳基高溫合金微銑削加工過程有限元仿真。然后， 根據(jù)鎳基高溫合金的硬化曲線和維氏硬度測試原理，建立流動應(yīng)力與維氏硬度的關(guān)系模 型。在有限元仿真輸出應(yīng)變的基礎(chǔ)上，聯(lián)系應(yīng)變與硬度的關(guān)系，實現(xiàn)鎳基高溫合金微銑削加 工表面的硬度預(yù)測。采用預(yù)測方法硬度驗證簡單，準(zhǔn)確性較好。
[0004] 本發(fā)明采用的技術(shù)方案是一種微銑削鎳基高溫合金加工硬化的預(yù)測方法，采用有 限元仿真技術(shù)，其特征是，預(yù)測方法通過對工件和刀具進行三維宏觀建模，考慮材料彈塑性 本構(gòu)關(guān)系，建立鎳基高溫合金模型、刀具工件摩擦類型、金屬切削分離模型，輸出有限元仿 真不同切削參數(shù)下應(yīng)變值，再通過聯(lián)系應(yīng)變與硬度的關(guān)系，得到不同切削參數(shù)下硬度預(yù)測 值，預(yù)測加工硬化情況；預(yù)測方法的具體步驟如下：
[0005] 步驟1 :建立微銑刀模型，通過掃描電鏡將試驗用微銑刀拍攝成圖片，使用軟件將 圖片繪制成微銑刀實體模型，導(dǎo)入ABAQUS中；
[0006] 步驟2 :考慮銑刀尺寸及切削參數(shù)等條件，選取合適尺寸建立被加工工件三維模 型；
[0007] 步驟3 :對微銑刀和工件進行網(wǎng)格劃分，設(shè)置微銑刀和工件剛體類型，選擇網(wǎng)格劃 分方式及單元類型；
[0008] 步驟4 :材料性能參數(shù)設(shè)置，將刀具視為剛體，工件材料類型定義為彈塑性，采用 J-C模型模擬真實切削材料內(nèi)流動應(yīng)力與應(yīng)變的本質(zhì)方程，以J-C模型的切肩分離準(zhǔn)則作 為判據(jù)模擬切削碎片形成過程；
[0009] 其中，所述的材料的本構(gòu)模型為：
[0011] 式中，σγ為流動應(yīng)力，A為參考溫度和參考應(yīng)變速率下的屈服強度，B為應(yīng)變強化 系數(shù)，，為等效塑性應(yīng)變，η為應(yīng)變硬化指數(shù)，C為應(yīng)變速率硬化系數(shù)，f為等效塑性應(yīng)變 率，島為參考應(yīng)變率，m為加熱軟化指數(shù)，f為無量綱的值，與溫度有關(guān)；
[0012] 采用的分離準(zhǔn)則為J-C斷裂失效準(zhǔn)則，其失效模型是基于單元積分點上的等效塑 性應(yīng)變，其失效系數(shù)ω定義如下：
[0014] 式中，為等效塑性應(yīng)變增量，盡為發(fā)生斷裂時的應(yīng)變值，
[0016] 式中，山~d5為在低于參考溫度下測得的失效常數(shù)，p/q為壓偏應(yīng)力比，ρ為壓應(yīng) 力，q為Von-Mises應(yīng)力，當(dāng)失效參數(shù)ω大于1時，單元積分點達到了失效標(biāo)準(zhǔn)，單元所有 應(yīng)力均被設(shè)置為〇,單元從網(wǎng)格中刪除，也就是工件材料發(fā)生斷裂，開始形成切削肩片；
[0017] 步驟5 :導(dǎo)入刀具和工件模型，進行裝配；調(diào)整微銑刀和工件的相對位置，確定切 削深度及進給距離；
[0018] 步驟6 :定義分析步和輸出步，使用ABAQUS/Explicit進行顯式狀態(tài)分析，依次插 入加工分析步、退刀分析步、轉(zhuǎn)換約束分析步，分別設(shè)置分析步時間及增量步類型，輸出變 量設(shè)為等效塑性應(yīng)變；
[0019] 步驟7 :定義表面和接觸性質(zhì)，在接觸模塊設(shè)置刀具約束類型，接觸類型選擇罰模 型，將摩擦系數(shù)設(shè)置為〇. 4,然后定義刀具集合和參考點集合；
[0020] 步驟8 :定義邊界條件，首先定義刀具速度變化幅度曲線，然后在參考點集合上設(shè) 置刀具進給速度和主軸轉(zhuǎn)速，定義工件底面和側(cè)面節(jié)點集合，嚴(yán)格約束工件自由度，在各分 析步中分別設(shè)置約束條件；
[0021] 步驟9:創(chuàng)建任務(wù)并遞交運算，分別提交不同切削參數(shù)組合的微銑削鎳基高溫合 金仿真模型，從而得到不同切削參數(shù)組合下材料塑性應(yīng)變；
[0022] 步驟10 :仿真結(jié)束后，在加工槽底面上隨機選擇若干個點，求均值后表征表面的 等效塑性應(yīng)變；
[0023] 步驟11:采用Hollomon公式得到應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，將仿真所得等效塑性應(yīng)變代入 公式得微銑削鎳基高溫合金槽底面應(yīng)力值，Hollomon公式如下：
[0024]σ=Κεn (4)
[0025] 式中，σ為塑性真應(yīng)力，ε是塑性真應(yīng)變，K是強度系數(shù)，η是應(yīng)變強化指數(shù)；〇 = Κ ε η σ = Κ ε η
[0026] 步驟12 :采用壓痕試驗所得判別式△判斷材料彈塑性變形，判別式如下：
[0028] 式中，Ε為楊氏模量，ν是泊松比，〇Y是流動應(yīng)力，β是壓痕試驗中硬度計壓 頭與未變形表面形成的夾角；當(dāng)A<3時，材料發(fā)生微小塑性變形，須進行彈性分析；當(dāng) △ <30時，塑性變形擴展；當(dāng)△ >30時，對于大多數(shù)金屬或合金彈性不再對硬度有 任何影響，硬度值和流動應(yīng)力值成嚴(yán)格正比，由此可得：
[0029] H = C σ e (6)
[0030] 式中，Η為硬度值，C為常數(shù)，由硬度計壓頭的幾何形狀決定，在計算中取2.4; 為應(yīng)力和，在使用硬度計測量時，σε=σrapr+oras，為硬度計壓頭引起的應(yīng)力，σ為 原有的應(yīng)力；
[0031] 步驟13:由公式（4)和公式（6)及Inconel718應(yīng)力-應(yīng)變曲線推導(dǎo)應(yīng)變與硬度 關(guān)系，得硬度值計算公式如下所示，
[0032]H = C〇e= C(〇repr+σres)= CK(εrepr+εres) (7)
[0033] 式中，為壓頭引入的殘余應(yīng)變，其值由壓痕試驗獲取為〇.〇8,ε為原有殘 余應(yīng)變；
[0034] 步驟14:代入仿真所得槽底塑性應(yīng)變值及相關(guān)系數(shù)，即得微銑削鎳基高溫合金槽 底硬度值。通過建立有限元仿真模型和應(yīng)力硬度關(guān)系模型，實現(xiàn)鎳基高溫合金微銑削加工 硬化預(yù)測。
[0035] 本發(fā)明的有益效果是首先解決了對于精密加工的微溝道等微小結(jié)構(gòu)零件，由于其 溝道或槽底尺寸為微米級，硬度計壓頭無法壓入進行測量的問題。以及對一些工件側(cè)壁無 法使用硬度計直接測量的問題。而且在使用硬度計測量時，產(chǎn)生壓痕長及深度均為微米級， 與微銑加工尺寸在同一數(shù)量級，對微小結(jié)構(gòu)/零件已加工表面破壞不能忽略。同時，通過建 立加工硬化預(yù)測模型對不同切削參數(shù)下加工硬度值進行預(yù)測，可以為選擇合理的切削參數(shù) 組合提供參考。用建立模型的方式數(shù)值化預(yù)測加工硬化，與試驗和測量硬度相比可節(jié)省人 力，減少成本。
【附圖說明】
[0036] 圖1為冷拔態(tài)時鎳基高溫合金應(yīng)力-應(yīng)變曲線圖，其中，橫坐標(biāo)為應(yīng)變，無量綱，縱 坐標(biāo)為應(yīng)力，單位為Mpa。
[0037]圖2為硬度應(yīng)力變化與基于壓痕試驗的判別式之間的關(guān)系，其中，橫坐標(biāo)為判別 式Λ對數(shù)值，縱坐標(biāo)為硬度與流動應(yīng)力比值，I-彈性變形階段，II-塑性擴展階段，ΠΙ-塑 性變形階段。
【具體實施方式】
[0038] 下面結(jié)合技術(shù)方案和附圖詳細(xì)說明本發(fā)明的具體實施，使用有限元計算軟件 ABAQUS，對微銑削鎳基高溫合金加工過程進行三維有限元仿真，預(yù)測槽底塑性應(yīng)變，然后根 據(jù)理論推導(dǎo)應(yīng)變與硬度關(guān)系，由仿真所得塑性應(yīng)變獲得加工后硬度值，建立微銑削鎳基高 溫合金預(yù)測加工硬化情況模型，具體操作步驟如下：